устройство для создания низкотемпературной газоразрядной плазмы

Формула изобретения

Устройство для создания низкотемпературной газоразрядной плазмы, состоящее из термокатода, помещенного в магнитное поле, анода и вакуумной камеры, отличающееся тем, что термокатод расположен внутри полого цилиндрического катода, электрически соединенного с одним из выводом термокатода, причем соотношение между диаметром D и длиной L полого катода составляет L = (3 - 4)D, а анодом являются внутренние стенки вакуумной камеры, при этом выступающая за стенки камеры-анода часть полого катода L составляет L = D.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к газоразрядной плазменной технике и технологии, в частности к устройствам генерации низкотемпературной газоразрядной плазмы в больших объемах и может быть использовано в ионно-плазменной технологии, например, в устройствах для финишной очистки и активации поверхности изделий перед напылением покрытий и ионного ассистирования в процессе напыления покрытий в вакууме, в устройствах ионного азотирования и сильноточных источниках газовых ионов.

Существуют различные системы очистки и активации поверхности материалов с помощью низкотемпературной газоразрядной плазмы. Для создания низкотемпературной плазмы часто используются тлеющий и высокочастотный разряды. Однако при значительных размерах обрабатываемых деталей и больших объемах вакуумной камеры, заполняемой плазмой, такие разряды имеют ряд недостаток, которые снижают эффективность их использования в технологических процессах. Так, при рабочих давлениях (1-15 Па) плазма тлеющего разряда имеет низкие концентрацию и температуру, вследствие чего из-за малой плотности заряженных частиц процессы очистки и напыления с плазменным ассистированием происходят неэффективно. Кроме того, тлеющий разряд имеет высокое напряжение горения, порядка 1-2 кВ, что усложняет схемы электропитания установок.

При использовании высокочастотного разряда, вследствие низкого КПД, высоки энергетические затраты и для получения воспроизводимых результатов очистки поверхности и нанесения покрытий требуется жесткая стабилизация потока реактивного газа и рабочего давления в камере, что значительно усложняет технологический процесс.

С целью повышения плотности плазмы в больших объемах, снижения рабочих давлений, обеспечения управляемости технологическим процессом в широких диапазонах регулировки плотности плазмы и повышения стабильности результатов обработки деталей в больших плазменных объемах наиболее предпочтительным типом разряда является несамостоятельный дуговой разряд с термокатодом.

Известны устройства [1, 2], использующие дуговой разряд с полым самокалящимся катодом, состоящие из полого катода диаметром 3-10 мм из тантала, помещенного в продольное магнитное поле, и цилиндрического медного анода, расположенного на одной оси с катодом. Такие устройства обеспечивают токи разряда от 30 до 200 А и, соответственно, высокую концентрацию газоразрядной плазмы. Для возбуждения дуги в таких устройствах необходимо создать следующие жесткие условия: поддерживать достаточно высокое давление в полом катоде (несколько десятков Па), обеспечить высокий поток газа через катод, магнитное поле должно превышать 0,01 Тл и должна быть создана предварительная ионизация газа в межэлектродном промежутке от внешнего ионизатора.

Известны ионные источники [3, 4], в которых плазма, эмитирующая ионы, создается разрядом с термокатодом и цилиндрическим или кольцевым анодом. Для удержания электронов в разряде и повышения эффективности ионизации в большинстве случаев используются магнитные поля, создаваемые соленоидом или постоянными магнитами.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению аналогом, взятому за прототип, является разрядная система генератора плазмы [5], состоящая из термокатода и анода, помещенных в продольное магнитное поле. Однако в такой системе электроны, образованные в результате ионизации газа первичными электронами, испускаемыми термокатодом и ускоренными в прикатодном падении потенциале, диффундирую поперек магнитного поля и оседают на аноде. Это приводит к необходимости использования напряжения для зажигания разряда и нестабильному горению разряда с низкой плотностью генерируемой плазмы в рабочем объеме при низких давлениях. Установлено, что в большинстве современных ионно-плазменных технологических процессов и, в частности, при нанесении упрочняющих и декоративных покрытий при низких давлениях, создание плотной плазмы вблизи напыляемой поверхности для финишной очистки, активации поверхности перед напылением плазменного ассистирования в процессе напыления покрытий позволяет значительно повысить адгезию и качество покрытий, сохраняя высокую производительность процесса.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности генерации плазмы и стабилизации горения дуги при низких давлениях в разрядной камере, а также расширение технологических возможностей с целью увеличения производительности процесса напыления покрытий и улучшения из качества.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве генерации предлагается использовать в качестве полого анода большого размера вакуумную камеру, а в качестве катода - комбинированный катод, состоящий из термокатода и окружающего его полого цилиндрического катода, электрически соединенного с одним концом термокатода и помещенных в цилиндрический корпус, расположенный на одной из стенок вакуумной камеры, причем соотношение между диаметром D и длиной L полого катода составляет L=(3-4)D и край полого катода выступает внутрь за плоскость стенки камеры - анода на расстояние C=D.

На чертеже схематично представлен пример конструкции предложенного устройства для создания плазмы. Устройство состоит из полого катода 1 (длиной L= 350 мм, диаметром D= 90 мм), электрически соединенного с одним из концов термокатода 2, размещенного внутри полого катода, цилиндрического корпуса 3, соединенного с вакуумной камерой-анодом 4 и соленоида 5, охватывающего корпус 3, выполненный из немагнитного материала. Соленоид создает продольное магнитное поле в области катода с индукцией 0,02 Тл. Термокатод 2 изготовлен из вольфрамовой проволоки диаметром 1,5-2 мм. Рабочий газ с расходом 200-1000 см³ат/ч напускается в катодную полость через отверстие 6. В рабочей камере размещены обрабатываемые детали 7. Электропитание термокатода осуществляется от источника 8, а разряд - от выпрямителя 9.

Устройство для создания плазмы работает следующим образом. При подаче питания к термокатоду 2, постоянного напряжения к разрядному промежутку катод - вакуумная камера-катод соответственно от источников 8, 9 и установлении напуска рабочего газа, испускаемые термокатодом электроны ионизируют газ, и. вследствие провисания потенциала в полость 1, возникает эффект полого катода, состоящий в образовании катодного падения потенциала у внутренних стенок катодной полости. Электроны, отражаясь от потенциального барьера, совершают колебательные движения в полости и эффективно ионизируют газ. Ионы, ускоренные в пристеночном слое, бомбардируют поверхность внутренних стенок катодной полости, вызывая эмиссию вторичных электронов, которые увеличивают ионизацию газа. Расширяющаяся плазма создает условия для зажигания дугового разряда между полым катодом и стенками вакуумной камеры, которая является полым анодом. Таким образом, камера заполняется достаточно однородной плазмой. Так как площадь термокатода значительно меньше площади полого катода, уменьшается эрозия термокатода - элемента, определяющего срок непрерывной работы генератора плазмы, и снижается вероятность, а при некоторых условиях исключается переход диффузной формы разряда в контрагированную с большим расходом материала катода. В некоторых технологических процессах исключение паров материала катода является определяющим для генераторов газоразрядной плазмы, т. к. позволяет производить очистку и активацию поверхности без ее подпыления материалом катода.

Определенное из экспериментов оптимальное соотношение длины и диаметра полого катода L=(3-4)D связано с тем, что с увеличением длины с одной стороны происходит рост разрядного тока и уменьшение напряжения горения, но с другой стороны затрудняется зажигание разряда, что требует увеличения давления газа, необходимого для уверенного зажигания разряда (см. таблицу).

Приведенные в таблице значения токов разряда и напряжений его горения получены при токе накала катода 140 А и давлении рабочего газа (аргон) равном 610^-2 Па. Результаты экспериментов, обозначенные в таблице графой "без полого катода", были получены при отсутствии полого катода 1 (см. чертеж). Оптимальное соотношение между диаметром полого катода и длиной выступающей его части в полый анод-камеру C определяется тем, что с увеличением C наблюдается рост давления, необходимого для зажигания разряда, а с его уменьшением возрастают потери тока на ближнюю стенку камеры, из которой выступает полый катод, что ведет к уменьшению концентрации плазмы в области, где располагаются обрабатываемые детали и, соответственно, к снижению эффективности обработки. Соотношение C=D определено экспериментально по равенству плотности тока разряда на ближнюю стенку камеры j_ст=I_ст/S_ст и средней плотности тока разряда на всю внутреннюю поверхность камеры-анода j=I_p/S_камеры.

Как показали эксперименты в вакуумной камере-аноде объемом 0,25 м³ при давлении рабочего газа аргона 10^-1 Па плазма с концентрацией 10¹⁰ см^-3 с равномерностью 20% от среднего значения ее плотности создается при токе несамостоятельного дугового разряда до 100 А, что позволяет в 2-3 раза уменьшить время очистки и активации поверхности изделий перед напылением покрытий ионно-плазменным методом, сохраняя высокую адгезию покрытий с подложкой, а также осуществлять процесс плазменно-ассистированного напыления, получая функциональные покрытия высокого качества.

Источники информации

1. Форрестер А.Т. Интенсивные ионные пучки. М.: Мир, 1992, с. 157.

2. Москалев Б.И. Разряд с полым катодом. М.: Энергия, 1969, с. 164-169.

3. Kaufman H.R. et all. J. Vac. Sci. Technol., 1982, v.21, p.725.

4. Габович М.Д. и др. Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей. М.: Энергоатомиздат, 1986. с.53.

5. Varga I.K. J. Vac. Sci. Technol. A, 1989, v.7(4), p.2639.